Ein Leitfaden zur Modusumwandlung, deren Ursachen und Lösungen

Differentielle Paare werden am häufigsten in Bezug auf ihre Impedanz und Toleranz der Längenanpassung diskutiert, beides mit dem Ziel, eine ordnungsgemäße Terminierung am Empfänger und die Unterdrückung von gemeinsamem Modus-Rauschen zu gewährleisten. Bei Verbindungen, wie Board-zu-Board-Verbindungen oder kaskadierten Übertragungsleitungsanordnungen, haben Sie eine wichtige EMC-Konformitätsmetrik, die manchmal übersehen wird. Dies ist die Modusumwandlung, die in einer S-Parameter-Messung für die Übertragung von differentiellen und gemeinsamen Modus-Signalen visualisiert werden kann.

Der Begriff „Modusumwandlung“ wird am häufigsten im Kontext der Optik diskutiert, insbesondere wenn Wellen beim Übertragen über die Schnittstelle zwischen zwei Medien brechen, wo die Welle von einer wahren unpolarisierten (TEM) Welle zu einer teilweise oder vollständig polarisierten Welle wechseln kann. Im Elektronikdesign, und insbesondere im Design von Hochgeschwindigkeitsverbindungen, muss die Modusumwandlung unter einem bestimmten Wert begrenzt werden, um sicherzustellen, dass Signale an einem Empfänger gelesen und interpretiert werden können. In diesem Artikel werden wir einen kurzen Überblick über die Modusumwandlung im Hochgeschwindigkeitsdesign mit einigen Beispielen aus gängigen differentiellen Standards geben.

Übersicht über die Modusumwandlung

Der Begriff „Modusumwandlung“ bezieht sich auf die Umwandlung eines differentiellen Signals in ein Gleichtaktsignal. Das vereinfacht die Dinge ein wenig; es ist nicht so, dass die gesamte in einem differentiellen Signal enthaltene Leistung in den Gleichtakt umgewandelt wird. Stattdessen kann der umgewandelte Teil des Signals über den Frequenzbereich verteilt sein und wird in einer spezifischen Art von S-Parameter-Messung beobachtet. Im Wesentlichen hat das differentielle Signal einen Teil seiner Energie verloren, als es in ein Gleichtaktsignal umgewandelt wurde, daher ist das differentielle Signal möglicherweise nicht wiederherstellbar, wenn zu viel des Signals in den Gleichtakt umgewandelt wird.

Man könnte versucht sein zu fragen: Warum sollten wir uns überhaupt um Modusumwandlung und daraus resultierendes Gleichtakt-Rauschen kümmern? Eliminiert ein differentieller Empfänger nicht das Gleichtakt-Rauschen? Es gibt zwei Antworten darauf, die man in Betracht ziehen sollte:

• Gleichtaktströme führen zu abgestrahltem Gleichtakt-EMI (Dipolstrahlung), was bei sehr starker Ausprägung zu Emissionstestfehlern führen kann. Dies würde während der Flankensteilheit auftreten, sodass Sie starke Emissionen während der Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen über ein gedrucktes differentielles Paar/Steckverbinder oder ein Kabel hätten.
• Empfänger können den größten Teil des von ihnen empfangenen Gleichtaktstörsignals unterdrücken, aber nicht alles, daher sollten Gleichtaktströme begrenzt werden. Auch dies ist während der Flankensteilheit wichtig; der Gleichtaktanteil des Signals kann viel stärker sein als das, was der Empfänger zuverlässig unterdrücken kann, wenn die Modenumwandlung hoch ist.

Gemischte-Modus-S-Parameter

Die Modenumwandlung wird mathematisch mit gemischten Modus-S-Parametern beschrieben. Diese S-Parameter mischen die S-Parameter für das eingehende differentielle Signal und das resultierende Gleichtaktstörsignal in eine einzige Matrix. Ebenso beschreibt dieselbe Matrix auch die S-Parameter für jedes eingehende Gleichtaktsignal (oder Störung) und das resultierende differentielle Modussignal, das am Ausgang gesehen wird. Die Definition der Matrix der gemischten Modus-S-Parameter lautet:

Hier bezieht sich das "D" auf das differentielle Signal und das "C" auf das Gleichtaktsignal. Die Zahlen in den Indizes haben ihre übliche Bedeutung, die sich auf die Ports 1 und 2 einer differentiellen Paarverbindung bezieht.

Hier haben wir eine Matrix mit 16 Parametern, aber nicht alle diese werden in der Praxis verwendet. Die spezifischen Parameter, die Sie benötigen, können durch Entschlüsselung der Parameterbenennung in der Matrix bestimmt werden:

Mit anderen Worten, wenn Sie die Menge an gemeinsamem Modus-Rauschen bestimmen möchten, die an Port 2 eines Differenzpaares zu sehen ist, wenn Port 1 nur ein differentielles Signal erhält, entspricht diese Menge dem Produkt (SCD21)(a1d). Mit diesen gemessenen S-Parametern ist es dann möglich, die Menge an gemeinsamem Modus oder differentiellem Modus-Leistung zu bestimmen, die an einen Empfänger übertragen oder auf ein Kabel gelegt wird.

Grenzen der Modusumwandlung

Wie viel von diesem gemeinsamen Modus-Signal ist zu viel? Die Antwort ist, dass es nicht sehr viel gemeinsames Modus-Rauschen braucht, das von einem I/O auf ein Kabel übertragen wird, um einen EMC-Fehler zu verursachen. Der spezifische Strom ist eine Funktion der Frequenz und wird von dem spezifischen Standard abhängen, mit dem Sie arbeiten. Zum Beispiel werden FCC Klasse A und Klasse B Produkte unterschiedliche Grenzen als CISPR Produkte haben; die untenstehende Tabelle fasst diese Grenzen für FCC Klasse A und Klasse B Produkte zusammen (der Verdienst für die Zusammenstellung der Daten geht an den verstorbenen Henry Ott).

Grenzwerte für den Gleichtaktstrom bei Verkabelungen für FCC Klasse A und Klasse B Produkte.
* Basierend auf Grenzwerten für geleitete Emissionen
** Basierend auf Grenzwerten für abgestrahlte Emissionen

Nur um einen Vergleich zu haben, die Ströme, die bei der Datenübertragung über Ethernet oder klassisches LVDS beteiligt sind, liegen im mA-Bereich, also haben wir im Vergleich zum differentiellen Signalstrom sehr niedrige zulässige Werte für den Gleichtaktstrom.

Was die Grenzwerte für Signale betrifft, so variieren diese je nach Standard und Messort. Beachten Sie, dass die Grenzwerte für Signale die Hardwareleistung definieren; sie definieren nicht die Emissionsgrenzwerte, die zur Bestehung von EMC-Tests erforderlich sind. Zum Beispiel liegt bei USB 3 der Grenzwert für die Modusumwandlung in gesteckten Kabelbaugruppen bei -20 dB über die gesamte spezifizierte Signalbandbreite, sodass die gesamte Verbindung viel Gleichtaktstörungen zulassen könnte und dennoch nach Spezifikation funktioniert. Beachten Sie, dass „nach Spezifikation funktionieren“ und FCC/CISPR-Konformität nicht unbedingt dasselbe sind.

Ursachen für Modusumwandlung

Asymmetrien beim Routing auf der Leiterplatte oder in der Verkabelung eines Kabels führen zu einer Modusumwandlung bei differentiellen Verbindungen. Eine andere Betrachtungsweise ist nicht, dass dadurch neues Gleichtaktstörgeräusch entsteht, wo vorher keines war, sondern dass die Asymmetrie die Ankunft des Nulldurchgangs zu den Rändern verzögert oder eine Phasenverzögerung zwischen den beiden Signalen auf jeder Spur erzeugt. Infolgedessen fällt es dem differentiellen Empfänger schwerer, das Gleichtaktstörgeräusch über die gesamte Signalbandbreite vollständig zu unterdrücken.

Ein Nebeneffekt ist, dass eine Asymmetrie das Einkoppeln einiger Störgeräusche ermöglicht, die möglicherweise nur auf einem Leiter vorhanden sind, aber nicht auf einem anderen, oder die möglicherweise nicht vollständig mit gleicher Stärke auf beide Leiter koppeln. Auch hier werden die Gleichtaktströme nicht vollständig aufgehoben, da sie möglicherweise nicht wirklich im Gleichtaktmodus sind, sodass einige Störgeräusche auf dem empfangenen Signal erscheinen könnten.

Asymmetrien entstehen auf folgende Weisen:

• Geometrievariationen (Längen- oder Querschnittsungleichheit)
• Dielektrizitätskonstante und Ausbreitungskonstante, wie zum Beispiel von der Faserverwebung
• Impedanzvariationen, möglicherweise aufgrund der oben genannten Punkte oder von Parasiten
• Gekoppelte Verzögerungssegmente, wie differentielle Serpentinenverlegung (siehe das Beispiel unten)
• Einspeisung von Signalen von einem unausgeglichenen System (auf einer PCB) in ein ausgeglichenes System (verdrilltes Paar)

Auf der PCB hängt dies mit der Verlegung, Materialinhomogenitäten oder einfacheren Diskontinuitäten wie Erdungslücken bei locker gekoppelten differentiellen Paaren zusammen.

Jeder dieser Effekte wird eine Modenumwandlung in verschiedenen Frequenzbereichen erzeugen, die in S-Parameter-Daten betrachtet werden kann. Zum Beispiel werden Beiträge von Faserverwebung und parasitärer Kapazität bei höheren Frequenzen erscheinen, während Geometrievariationen eine breitbandige Modenumwandlung erzeugen könnten. Da dies eine Messung im Frequenzbereich ist, verwenden wir S-Parameter, um die Modenumwandlung zu quantifizieren (gemessen in dB durch Vergleich der Stärke des differentiellen und des gemeinsamen Signals).

Beispiel für eine Modenumwandlungsmessung

Das Folgende zeigt ein grundlegendes Beispiel für eine Modenumwandlungsmessung. Für einen gegebenen Kanal definieren wir zwei Arten von S-Parametern, die verwendet werden, um die Modenumwandlung zu quantifizieren:

• Differenzielle zu gemeinsamer Modus-Umwandlung (SCD21): Wir geben ein differenzielles Testsignal ein und messen das gemeinsame Modus-Ausgangssignal.
• Gemeinsamer zu differenzieller Modus-Umwandlung (SDC21): Wir geben ein gemeinsames Modus-Testsignal ein und messen das differenzielle Modus-Ausgangssignal.

Das untenstehende Beispiel zeigt die Modusumwandlung, die im Frequenzbereich durch Serpentinen-Routing-Abschnitte erzeugt wird, die verwendet werden, um differenzielle Paare in einem parallelen Bus zu verzögern.

Die Interpretation mit S-Parametern macht Sinn und sie gilt für Kanäle auf einer PCB oder einem kaskadierten Netzwerk, das die Verwendung einer (PCB + I/O + Kabel + I/O + PCB) Art von Verbindung finden würde. Die Methodik gilt auch für Board-zu-Board-Verbindungen, wo der Steckverbinder eine ähnliche Rolle wie ein Kabel spielt. Unabhängig davon, wie die Verbindung strukturiert ist, ist der wichtige Punkt folgender:

Jitter vs. Modusumwandlung

Da Asymmetrie in der Ausbreitungszeit und Modusumwandlung verknüpft sind und Jitter Asymmetrie erzeugt, wäre es vernünftig zu fragen, ob wir Jitter aus Modusumwandlungsmessungen vorhersagen können? Tatsächlich können Sie genau das mit einer einfachen Formel unter Verwendung Ihrer S-Parameter-Daten tun. Die grundlegende Beziehung ist:

Diese Gleichung beschreibt das Trace-zu-Trace-Jitter und sie sollte Ihnen etwas Wichtiges vermitteln: Jitter ist eine Funktion der Testfrequenz! Die RHS in der obigen Gleichung ist eine Funktion der Frequenz, und beachten Sie, dass die Winkelfrequenz auf der LHS erscheint. Stecken Sie einfach Ihre S-Parameter-Daten bei jeder Testfrequenz ein, und Sie können das Jitter bei dieser spezifischen Frequenz berechnen. Da wir uns mit differentiellen Paaren befassen, quantifizieren wir T-Jitter normalerweise als einen Bruchteil des Einheitsintervalls (UI), da dies das ist, was Sie von einem Augendiagramm ablesen würden.

Als Beispiel kann dies bei Kabelmessungen gesehen werden, wie in der unten gezeigten Grafik. Diese Grafik zeigt Modusumwandlungsmessungen in einem 28 AWG Twinax-Kabel. Wir können sehen, dass die Gesamtverzögerung eine Funktion der Kabellänge (wie erwartet) sowie eine Funktion der Frequenz ist. Der Frequenzanteil mag nicht überraschend sein, bis Sie sich daran erinnern, dass die Phasenfehlanpassung aufgrund der Modusumwandlung ebenfalls eine Funktion der Frequenz ist, daher würden wir dasselbe für die Verzögerung erwarten.

Die Quintessenz: Symmetrie bewahren

All dies sollte den Bedarf an Längenanpassung zwischen den beiden Seiten eines differentiellen Paares und Symmetrie in der Verlegung verdeutlichen. Wenn ich von „Symmetrie in der Verlegung“ spreche, meine ich nicht unbedingt „enge Kopplung“, wie sie oft in grundlegenden Richtlinien für das Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs vorgeschrieben ist. Vielmehr meine ich Folgendes:

• Die Ausbreitungskonstante für jede Spur im Paar sollte über die gesamte Länge der Route gleich sein, unabhängig davon, ob die Spuren die ganze Strecke über nebeneinander liegen.
• Die einseitige Impedanz jeder Spur sollte über die gesamte Länge der Route konsistent sein, unabhängig davon, ob die Spuren die ganze Strecke über nebeneinander liegen.
• Jegliche Impedanz-/Ausbreitungskonstantenvariationen (z.B. aufgrund parasitärer Kapazität) sollten auf beiden Spuren im Paar gleich erscheinen. Asymmetrie in diesem Bereich ist als ein Hauptfaktor für die Modenumwandlung bekannt.

Bezüglich des letzten Punktes gibt es einen großartigen Artikel, den ich den Lesern empfehle, um zu sehen, wie Erdungsvias die Modenumwandlung beeinflussen können:

• Jaze, A.; Archambeault, B.; Connor, S. „Differential Mode to Common Mode Conversion on Differential Signal Vias Due to Asymmetric GND Via Configurations.“ In Compliance, 1. Juni 2014.

Wie ich bereits zuvor erwähnt habe (genauso wie andere Experten), ist eine sogenannte "enge Kopplung" keine Voraussetzung für die Übertragung von differentiellen Signalen solange die Leiterbahnen entsprechend entworfen sind, obwohl sie aus der Perspektive des Rauschens einige Vorteile bietet. Es ist auch der einzige Weg, um sicherzustellen, dass eine differentielle Impedanzspezifikation ohne eine nahe gelegene Masseebene erfüllt wird. Denken Sie sorgfältig darüber nach, wie Sie ein differentielles Paar verlegen und dessen Impedanz definieren möchten, da dies helfen wird, eine Modenumwandlung zu verhindern. Bei weitem der einfachste Weg, um sicherzustellen, dass Sie all diese Ziele erreichen, ist einfach in den sauren Apfel zu beißen und alles mit erzwungener Symmetrie und enger Kopplung zu verlegen. Glücklicherweise machen moderne CAD-Tools all dies sehr einfach.

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